Raytracingin käyttö radioaallon etenemisen mallintamisessa

Abstract

Tässä kandidaatintyössä pyritään selvittämään, kuinka hyvin raytracing-tekniikalla pystytään mallintamaan radioaallon etenemistä ulkoilmassa käyttäen alueen maastodataa. Työ rajattiin käyttämään vain 304 MHz taajuutta ja alueena Hervannan ja Kuhmalahden välistä maastoa. Mallinnuksessa saatuja tuloksia verrattiin mitattuihin arvoihin, jonka perusteella arvioitiin mallinnuksen hyvyyttä.

Raytracing on deterministinen etenemismalli, joka perustuu suoraan radioaallon fysikaalisiin ominaisuuksiin sekä tarkkaan kuvaukseen ympäristöstä. Raytracingin kannalta olennaisimmat radioaallon fysikaaliset ominaisuudet ovat vapaan tilan eteneminen, heijastuminen, diffraktio sekä sironta. Nämä fysikaaliset ominaisuudet radioaalloille voidaan ratkaista geometrisen optiikan ja diffraktion yhtenäisteorian avulla. Geometrinen optiikka yksinkertaistaa radioaaltoa käsittelemällä aaltorintamia säteinä. Raytracingin idea on seurata näiden säteiden etenemistä ympäristössä.

Työssä tehty mallinnus toteutettiin Matlabin sisäänrakennetulla RayTracing-objektilla ja maastodatana käytettiin EU-DEM korkeusmallia. Mallinnustulosten perusteella voidaan todeta, että raytracingin avulla ei pystytty luotettavasti ennustamaan radioaallon etenemistä. Alle 13 kilometrin etäisyydellä vastaanotettu teho on muutamia pisteitä lukuun ottamatta yhtä suuri tai suurempi, kuin vapaan tilan vaimennuksella laskettu teho. 13 kilometrin jälkeen on tapahtunut huomattava noin 50 dB signaalitason alenema, jota ei tapahtunut mittauksessa. Lähes kaikki huomattavat eroavaisuudet mallinnuksen ja mittauksen välillä on tapahtunut näköyhteydettömillä yhteyksillä, mikä viittaa siihen, että diffraktiomalli ei toiminut riittävän hyvin. Tämä tarkoittaa sitä, että Matlabin oma raytracing-moottori ei ole toimiva maastossa tapahtuvan diffraktion mallinnuksessa. Työssä myös verrattiin miten hyvin semiempiirisellä ITM mallilla voitiin ennustaa radiotien vaimennusta raytracingiin nähden. Tulosten perusteella ITM malli oli huomattavasti parempi kuin raytracing.